地球上最坚固的材料是什么？

几千年来，钻石是已知最坚硬的材料，但它们在当前列表中仅排在第 7 位。你能猜出是哪种材料吗？

原子和分子构型有近乎无限的可能组合，但在任何材料中发现的特定组合决定了它的特性。虽然钻石传统上被视为地球上发现的最坚硬的材料，但它们既不是整体上最强的材料，也不是最强的天然材料。目前，已知有六种材料强度更高，但随着时间的推移，预计这一数字会增加。

碳是自然界中最神秘的元素之一，其化学和物理特性不同于任何其他元素。它的原子核中只有六个质子，是能够形成一系列复杂键的最轻的丰富元素。所有已知的生命形式都是碳基的，因为它的原子特性使其能够一次与多达四个其他原子连接。这些键的可能几何形状也使碳能够自组装，特别是在高压下，形成稳定的晶格。如果条件恰到好处，碳原子可以形成一种称为金刚石的坚固、超硬结构。

在生物学方面，蜘蛛丝最坚韧的。与大多数传统材料如铝或钢相比，它具有更高的强度重量比，而且非常薄且具有粘性。在世界上所有的蜘蛛中， 树皮蜘蛛最坚硬：比凯夫拉纤维强十倍。它又薄又轻，大约454 克达尔文的树皮蜘蛛丝可以组成一条足够长的线，可以勾勒出整个星球的周长。

此处显示的是组装后的碳化硅，通常以天然存在的矿物莫桑石的小碎片形式存在。晶粒可以烧结在一起形成复杂、美观的结构，例如此材料样本中所示的结构。它几乎与钻石一样坚硬，自 1800 年代后期以来就已被人工合成并以自然方式为人所知。（来源：斯科特·霍瓦斯/美国地质勘探局）

一种天然存在的矿物 碳化硅，天然莫桑石硬度仅略低于钻石。硅和碳的化学混合物，它们在元素周期表中彼此占据同一个族，自 1893 年以来已经大量生产碳化硅颗粒。它们可以通过高压力低温的过程烧结，以制造极其坚硬的陶瓷材料。

这些材料不仅可用于利用硬度的各种应用，例如汽车制动器和离合器、防弹背心板，甚至适用于坦克的战斗装甲，而且还具有非常有用的半导体特性，可用于电子产品。

大约 20 年前，首次制造了直径从 50 纳米到仅 2 纳米的微小二氧化硅球体 。这些纳米球是中空的，它们会自组装成球体，甚至可以相互嵌套，同时保持人类已知的最坚硬的材料，仅比钻石稍硬。

自组装在自然界中是一种非常强大的工具，但与合成材料相比，生物材料较弱。这些自组装纳米粒子 可用于制造定制材料 ，应用范围从更好的净水器到更高效的太阳能电池，从更快的催化剂到下一代电子产品。然而，这些自组装纳米球的梦想技术是可打印的防弹衣，可根据用户的规格定制。

钻石比所有这些都坚硬，并且仍然在地球上发现或创造的最坚硬材料中排名第 7。尽管它们已被其他天然但稀有材料和合成的人造材料所超越，但它们仍然保持着一项重要记录。

钻石仍然是人类已知的最耐刮擦的材料。钛等金属的耐刮擦性要差得多，即使是极硬的陶瓷或碳化钨在硬度或耐刮擦性方面也无法与钻石竞争。其他以硬度极高而著称的水晶，如红宝石或蓝宝石，仍然比不上钻石。

但就硬度而言，六种材料甚至比钻石还要好。

纤锌矿氮化硼

除了碳，可以用许多其他原子或化合物制造晶体，其中之一是氮化硼 (BN)，元素周期表中的第 5 和第 7 元素聚集在一起形成各种可能性。它可以是无定形的（非结晶的）、六方的（类似于石墨）、立方的（类似于金刚石，但稍弱），以及纤锌矿形式。

这些形式中的最后一种既极其罕见，也极其困难。它是在火山喷发期间形成的，只发现过少量，这意味着我们从未通过实验测试过它的硬度特性。然而，根据最近的模拟，它形成了一种不同类型的晶格，四面体晶格而不是面心立方晶格， 比钻石硬 18% 。

朗斯代莱特

想象一下，有一颗充满碳的流星，含有石墨，它穿过大气层并与地球相撞。虽然可能坠落流星形成一个非常热的物体，但只有外层会变热。在其前往地球的大部分（甚至可能是全部）过程中，内部仍然保持冰冷。

然而，在撞击地球表面时，内部的压力变得比地球表面上的任何其他自然过程都要大，并导致石墨压缩成晶体结构。它不具有钻石的立方晶格，而是具有六角晶格，实际上可以达到比钻石高 58% 的硬度。但撞击地球的无杂质石墨陨石无疑会产生比任何陆地钻石更硬的材料。

从现在开始，我们将天然存在的物质领域抛在脑后，Dyneema 是一种热塑性聚乙烯聚合物，具有极高的分子量。我们所知道的大多数分子都是原子链，总共有几千个原子质量单位（质子和/或中子）。但用于超高分子量聚乙烯具有极长的链，分子质量以数百万原子质量单位计。

由于它们的聚合物链很长，分子间的相互作用大大加强，形成了一种非常坚韧的材。它是如此坚韧，以至于它具有所有已知热塑性塑料中最高的冲击强度。它被称为 世界上最坚固的纤维，性能优于所有系泊绳和拖绳。可以阻挡子弹，并且强度是同等数量的钢的 15 倍。

钯微合金玻璃，具有两个重要特性：强度，即在变形之前可以承受的力；韧性，即断裂或断裂所需的能量。大多数陶瓷坚固但不坚韧，甚至从适度的高度掉落时都会破碎。弹性材料，如橡胶，可以保持大量能量，但很容易变形，而且一点也不结实。

大多数玻璃质材料都很脆：坚固但不是特别坚韧。即使是强化玻璃，在材料规模上也不是特别坚韧。但在 2011 年，研究人员开发了一种新的微合金玻璃，其中包含五种元素（磷、硅、锗、银和钯），其中钯提供了形成剪切带的途径，使玻璃能够塑性变形而不是破裂。它结合了强度和韧性，击败了所有类型的钢，以及此列表中较低的任何钢。不含碳是最硬的材料。

巴克纸，自 20 世纪后期以来，有一种碳比钻石还硬：碳纳米管。通过将碳结合成六边形，它可以比人类已知的任何其他结构更稳定地保持刚性的圆柱形结构。如果您将碳纳米管的集合体制成宏观薄片，可以将它们制成薄片：巴基纸。

这种结构以巴克敏斯特富勒命名，其硬度与相关的巴基球相匹配，巴基球由 60 个碳原子结合在一起。巴基球确实存在于自然界中，并且存在于星际空间的某些自然发生的环境中。

然而，对于巴克纸来说，虽然每个单独的纳米管只有 2 到 4 纳米之间，但这些单独的坚固而坚韧的结构可以结合在一起形成大的薄片。它的重量只有钢的 10%， 但强度却是钢的数百倍。它具有防火性、极强的导热性、出色的电磁屏蔽性能，可用于材料科学、电子、军事甚至生物应用。但是 巴克纸不能由 100% 的纳米管制成，这也许是它在这个列表中名列前茅的原因。

石墨烯，只有一个原子厚的六方碳晶格。一块石墨烯可以说是 21 世纪开发和使用的最具革命性的材料。它是碳纳米管本身的基本结构元素，应用不断增长。目前是一个价值数百万美元的产业，预计石墨烯将在短短几十年内成长为一个价值数十亿美元的产业。

与其厚度成比例，它是已知最强的材料，是热和电的非凡导体，对光几乎 100% 透明。2010 年诺贝尔物理学奖 授予了他们进行了涉及石墨烯的开创性实验，并且商业应用一直在增长。迄今为止，石墨烯是已知的最薄的材料。

使材料更硬、更强、更耐刮、更轻、更坚韧等的追求可能永远不会结束。如果人类能够比以往任何时候都更进一步地推动我们可用材料的前沿，那么可行的应用只会扩大。几代人以前，微电子学、晶体管或操纵单个原子的能力的想法肯定是科幻小说领域独有的。随着我们全力进入纳米技术时代，这里的材料对我们的生活质量变得越来越重要和无处不在。取得的科学进步使整个社会受益。随着 21 世纪的展开，我们都将看到这些新材料突然变得可能。